DE102015107676A1

DE102015107676A1 - High-voltage drive system

Info

Publication number: DE102015107676A1
Application number: DE102015107676.4A
Authority: DE
Inventors: Bastian Arndt; Hartwig Reindl; Alexander Iglizn; Wolfgang Röhrner
Original assignee: AVL TRIMERICS GmbH
Current assignee: AVL TRIMERICS GmbH
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltantriebssystem mit einer Hochvoltbatterie (1), einem Inverter (2), dem ein Elektromotor (3) nachgeschaltet ist, und einem zwischen Hochvoltbatterie (1) und Inverter (2) angeordneten und als Filterelement ausgebildeten Zwischenkreis (4), wobei der Zwischenkreis (4) wenigstens zwei Kapazitäten (Czk, C1, C2) und wenigstens zwei Induktivitäten (L1, L2) aufweist, wobei die wenigstens zwei Kapazitäten (Czk, C1, C2) vorzugsweise als Kondensatoren und die wenigstens zwei Induktivitäten (L1, L2) vorzugsweise als Spulen ausgebildet sind.The invention relates to a high-voltage drive system with a high-voltage battery (1), an inverter (2), which is followed by an electric motor (3), and arranged between a high-voltage battery (1) and inverter (2) and formed as a filter element intermediate circuit (4) the intermediate circuit (4) has at least two capacitances (Czk, C1, C2) and at least two inductances (L1, L2), the at least two capacitances (Czk, C1, C2) preferably being in the form of capacitors and the at least two inductances (L1, L2 ) are preferably formed as coils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltantriebssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a high-voltage drive system according to the preamble of patent claim 1.

Ein solches Hochvoltantriebssystem nach dem Stand der Technik ist beispielhaft in 1 dargestellt. Das dortige Hochvoltantriebssystem wird von einer Hochvoltbatterie 1 mit einer Spannung (HV+, HV–) versorgt. Für den Zwischenenergiespeicher wird in dem Hochvoltantriebssystem ein Zwischenkreiskondensator 4 verwendet. Ein Inverter 2 wandelt die von der Batterie gelieferte und über den Zwischenkreiskondensator 4 weitergegebene Gleichspannung (SHV+, SHV–) in eine mehrphasige Wechselspannung (U, V, W) um. Mit dieser mehrphasigen Wechselspannung (U, V, W) wird ein Elektromotor 3 betrieben. Im Rekuperationsbetrieb arbeitet der Elektromotor 3 als Generator, erzeugt die Spannungen UVW und lädt über den Inverter (der in diesem Fall als Gleichrichter arbeitet) die Hochvoltbatterie. Für die Umwandlung der durch den Zwischenkreiskondensator gelieferten Gleichspannung (SHV+, SHV–) werden hierbei Inverterelemente ein- und ausgeschaltet. Bei jedem Schaltvorgang entsteht eine Rippelspannung und ein damit verbundener Rippelstrom, die sich im ganzen System ausbreiten. Der Zwischenkreiskondensator 4 verringert aufgrund seiner Energiespeichereigenschaften die der Spannung (HV+, HV–) der Hochvoltbatterie überlagerte Rippelspannung. Um die unerwünschte Rippelspannung auf die üblichen Grenzwerte zu minimieren ist eine hohe Kapazität des Zwischenkreiskondensators erforderlich. Eine hohe Kapazität erfordert allerdings ein großes Volumen, das bei Hochvoltantriebssystemen im Automotivbereich nicht wünschenswert ist. Um das Gerätevolumen und die Systemkosten in vertretbarem Rahmen zu halten, wird versucht mit möglichst kleinen Zwischenkreiskondensatorwerten und Energiespeichereigenschaften auszukommen. Dies läuft der Einhaltung der geforderten Grenzwerte entgegen. Die Hochvoltbatterie 1, der Inverter 2 und der Elektromotor 3 sind dabei direkt mit einer Erdung 9 verbunden. Such a high-voltage drive system according to the prior art is exemplary in 1 shown. The local high-voltage drive system is powered by a high-voltage battery 1 supplied with a voltage (HV +, HV-). For the intermediate energy storage in the high-voltage drive system is a DC link capacitor 4 used. An inverter 2 converts those supplied by the battery and via the DC link capacitor 4 passed DC voltage (SHV +, SHV-) in a multi-phase AC voltage (U, V, W) to. With this multiphase AC voltage (U, V, W) becomes an electric motor 3 operated. In recuperation, the electric motor works 3 As a generator, the voltages generated UVW and charged via the inverter (which in this case works as a rectifier), the high-voltage battery. In this case, inverter elements are switched on and off for the conversion of the DC voltage (SHV +, SHV-) supplied by the intermediate circuit capacitor. Each switching operation creates a ripple voltage and associated ripple current, which propagates throughout the system. The DC link capacitor 4 reduces due to its energy storage properties of the voltage (HV +, HV-) of the high-voltage battery superimposed ripple voltage. In order to minimize the unwanted ripple voltage to the usual limits, a high capacitance of the DC link capacitor is required. However, a high capacity requires a large volume, which is undesirable in automotive high voltage drive systems. In order to keep the volume of the device and the system costs within reasonable limits, it is attempted to make do with the smallest possible DC link capacitor values and energy storage properties. This counteracts compliance with the required limits. The high-voltage battery 1 , the inverter 2 and the electric motor 3 are doing this directly with a ground 9 connected.

In einem Kondensator stehen die gespeicherte Energie und die angelegte Spannung in einem quadratischen Zusammenhang gemäß dem Verhältnis E = 1/2·C·U². Diese Eigenschaft sorgt dafür, dass bei hohen Spannungen nur ein kleiner Teil der im Zwischenkreiskondensator gespeicherten Energie zur Reduzierung der Rippelspannung verwendet werden kann. Ein Großteil der gespeicherten Energie und somit des Kondensatorvolumens dient in diesem Fall zur Bereitstellung der benötigten Gleichspannung (SHV+, SHV–) und wird nicht zur Reduzierung der Rippelspannung genutzt. Dieser Effekt wird stärker, je höher die Einsatzspannung des Gesamtsystems ist. In a capacitor, the stored energy and the applied voltage are in a quadratic relationship according to the ratio E = 1/2 ·C ·U ² . This feature ensures that at high voltages only a small portion of the energy stored in the DC link capacitor can be used to reduce the ripple voltage. A large part of the stored energy and thus the capacitor volume is used in this case to provide the required DC voltage (SHV +, SHV-) and is not used to reduce the ripple voltage. This effect becomes stronger the higher the threshold voltage of the overall system.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Hochvoltantriebssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiter zu entwickeln, dass eine Minimierung der Rippelspannung an der Hochvoltbatterie ermöglicht ist, wobei das Volumen des als Filter dienenden Zwischenkreises möglichst klein gehalten werden soll. Ferner sollen mithilfe der Erfindung Gleich- und Gegentaktstörungen minimiert werden und nach einem weiteren Gedanken der Erfindung eine Strommessung im Zwischenkreis ohne funktionelle Einbuße für die Steuerung des Elektromotors mit weiteren Vorteilen zum Batterie- und Versorgungsmanagement erfolgen. It is therefore an object of the invention to further develop a high-voltage drive system according to the preamble of claim 1 such that a minimization of the ripple voltage on the high-voltage battery is made possible, wherein the volume of the serving as a filter DC link should be kept as small as possible. Furthermore, with the aid of the invention, DC and push-pull interference should be minimized and, according to a further aspect of the invention, a current measurement in the DC link without functional loss for the control of the electric motor with further advantages for battery and supply management.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hochvoltantriebssystem mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. This object is achieved by a high-voltage drive system with all features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention can be found in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Hochvoltantriebssystem weist eine Hochvoltbatterie, einen Inverter, dem ein Elektromotor nachgeschaltet ist, und einen zwischen der Hochvoltbatterie und dem Inverter angeordneten und als Filterelement ausgebildeten Zwischenkreis auf. Erfindungsgemäß ist der Zwischenkreis dabei wenigstens aus zwei Kapazitäten und wenigstens zwei Induktivitäten, die eine bestimmte Impedanz aufweisen, gebildet, wobei die wenigstens zwei Kapazitäten vorzugsweise als Kondensatoren und die wenigstens zwei Induktivitäten vorzugsweise als Spulen ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zwischenkreises des Hochvoltantriebssystems lässt sich die Rippelspannung nunmehr deutlich besser minimieren. The high-voltage drive system according to the invention has a high-voltage battery, an inverter, which is followed by an electric motor, and arranged between the high-voltage battery and the inverter and designed as a filter element intermediate circuit. According to the invention, the intermediate circuit is formed at least from two capacitances and at least two inductances having a specific impedance, wherein the at least two capacitances are preferably designed as capacitors and the at least two inductors are preferably in the form of coils. Due to the inventive design of the intermediate circuit of the high-voltage drive system, the ripple voltage can now be significantly better minimize.

Eine mögliche sinnvolle Anordnung ist in 4 gezeigt. Dabei werden die Kondensatoren durch die Induktivitäten getrennt. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, den Zwischenkreis vom Volumen her gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Zwischenkreis mit Zwischenkreiskondensator unverändert zu lassen, wobei jedoch in vorteilhafter Weise eine deutlich bessere Filtereigenschaft hinsichtlich der Rippelspannung erzielt wird. Verwendet man beispielsweise Kondensatoren mit einer Kapazität von 250 µF und Spulen mit einer Induktivität von 5 µH, so entspricht der Bauraum dieser Elemente in etwa dem Volumen eines Zwischenkreiskondensators nach dem Stand der Technik mit einer Kapazität von 1 mF. Allerdings sind die Frequenzgänge des erfindungsgemäßen Zwischenkreises und des Zwischenkreises gemäß dem Stand der Technik deutlich unterschiedlich. Ab einer Frequenz von 7 kHz zeigt mit den vorher beschriebenen Beispielwerten der gestufte erfindungsgemäße Zwischenkreis eine deutlich bessere Filtereigenschaft als der Zwischenkreis mit einem einfachen Zwischenkreiskondensator gemäß dem Stand der Technik. Durch den gestuften Zwischenkreiskondensator kann ein höhere Dämpfung erreicht werden. Im zuvor beschriebenen Beispiel bis zu 70dB. Diese deutlich bessere Dämpfung ist in 2 anhand eines Diagramms dargestellt. Mit den derart ausgestatteten Zwischenkreisen wurde auch ein Simulationsvergleich der Rippelspannung an einem typischen Hochvoltantriebssystem durchgeführt. Die resultierende Rippelspannung mit dem gestuften erfindungsgemäßen Zwischenkreis war kleiner. Um die gleiche Rippelspannung mit einem konventionellen Zwischenkreiskondensator zu erreichen, würde eine höhere Kapazität benötigt. One possible meaningful arrangement is in 4 shown. The capacitors are separated by the inductors. By means of this embodiment according to the invention, it is possible to leave the intermediate circuit unchanged in terms of its volume from the intermediate circuit with the intermediate circuit capacitor known from the prior art, although a significantly better filter characteristic with regard to the ripple voltage is achieved in an advantageous manner. If, for example, capacitors with a capacitance of 250 μF and coils with an inductance of 5 μH are used, then the installation space of these elements corresponds approximately to the volume of a link capacitor according to the prior art with a capacitance of 1 mF. However, the frequency responses of the intermediate circuit according to the invention and the intermediate circuit according to the prior art are significantly different. From a frequency of 7 kHz, with the example values described above, the stepped intermediate circuit according to the invention shows a significantly better filter characteristic than the intermediate circuit with a simple intermediate circuit capacitor according to the prior art. Due to the stepped DC link capacitor, a higher damping can be achieved. In the example described above up to 70dB. This much better cushioning is in 2 illustrated by a diagram. With the intermediate circuits thus equipped, a simulation comparison of the ripple voltage was carried out on a typical high-voltage drive system. The resulting ripple voltage with the stepped intermediate circuit according to the invention was smaller. To achieve the same ripple voltage with a conventional DC link capacitor, a higher capacitance would be needed.

Durch die neue Filterstruktur des erfindungsgemäßen Zwischenkreises ist die Rippelspannung im Gleichspannungssystem (SHV+, SHV–) größer als die Rippelspannung der Spannung (HV+, HV–) ander Hochvoltbatterie. Da die Rippelspannung an SHV+, SHV– höher ist, wird aus dem dem Inverter zugewandten Kondensator mehr Energie für die Filterung als aus dem der Hochvoltbatterie zugewandten Kondensator eingesetzt. Zur Filterwirkung trägt zusätzlich die in den Induktivitäten gespeicherte Energie bei. Die in der Filterstruktur des erfindungsgemäßen Zwischenkreises verwendeten Spulen können magnetisch gegeneinander verkoppelt werden. Durch die Kopplung können die Gleichtaktstörungen verringert werden. Due to the new filter structure of the intermediate circuit according to the invention, the ripple voltage in the DC voltage system (SHV +, SHV-) is greater than the ripple voltage of the voltage (HV +, HV-) on the high-voltage battery. Since the ripple voltage at SHV +, SHV- is higher, from the inverter facing capacitor more energy for filtering than from the high-voltage battery facing capacitor is used. The filter effect additionally contributes to the energy stored in the inductors. The coils used in the filter structure of the intermediate circuit according to the invention can be magnetically coupled to one another. The coupling can reduce the common mode noise.

Damit der Inverter des erfindungsgemäßen Hochvoltantriebssystems entsprechend gesteuert werden kann, ist eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung von Inverterelementen vorgesehen, wobei in die Steuereinrichtung vorzugsweise ein Mikrocontroller integriert ist, durch den in einfacher Weise Steuerprogramme, welche in ihm integriert sind, abgerufen werden können. So that the inverter of the high-voltage drive system according to the invention can be controlled accordingly, a control device for controlling inverter elements is provided, wherein in the control device preferably a microcontroller is integrated, can be retrieved by the control programs which are integrated in it in a simple manner.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Inverterelemente als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode oder als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Solche Inverterelemente können digital gut angesteuert und auch schnell geschaltet werden, sodass mithilfe solcher Invertersteuereinrichtung die mehrphasige Wechselspannung in einfacher Weise generiert werden kann. It has proved to be advantageous that the inverter elements are designed as insulated-gate bipolar transistors or as metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. Such inverter elements can be digitally controlled well and also switched quickly, so that the multi-phase AC voltage can be generated in a simple manner with the aid of such an inverter control device.

Dabei transformiert der Zwischenkreis eine von der Hochvoltbatterie gelieferte Gleichspannung in eine Systemgleichspannung und leitet diese an den Inverter weiter, durch welchen die von dem Zwischenkreis gelieferte Systemgleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt wird. In this case, the intermediate circuit transforms a DC voltage supplied by the high-voltage battery into a system DC voltage and forwards them to the inverter, by means of which the system DC voltage supplied by the DC link is converted into a polyphase AC voltage.

Ferner kann in das Hochvoltantriebssystem auch wenigstens eine Strommesseinrichtung integriert sein. Gemäß dem Stand der Technik ist dabei eine solche Strommesseinrichtung in dem Inverter integriert. Dabei wirkt sich die in jeder Messeinrichtung enthaltende, parasitäre Induktivität nachteilig aus Furthermore, at least one current measuring device can also be integrated in the high-voltage drive system. According to the prior art, such a current measuring device is integrated in the inverter. In this case, the parasitic inductance contained in each measuring device has a disadvantageous effect

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann daher wenigstens eine Strommesseinrichtung in den erfindungsgemäßen Zwischenkreis integriert werden. Durch eine entsprechende Dimensionierung der jeweiligen Impedanzen der jeweiligen Spulen und Kondensatoren des erfindungsgemäßen können die Eigenschaften der Strommessung beeinflusst werden. Beispielsweise lassen sich schnelle Wechselstromanteile ausfiltern. Damit kann die Regelung des Hochvoltantriebsystems verbessert werden. According to a further aspect of the invention, therefore, at least one current measuring device can be integrated into the intermediate circuit according to the invention. By appropriate dimensioning of the respective impedances of the respective coils and capacitors of the invention, the properties of the current measurement can be influenced. For example, fast alternating current components can be filtered out. Thus, the control of the high-voltage drive system can be improved.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Other objects, advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings. All described and / or illustrated features alone or in any meaningful combination form the subject matter of the present invention, also independent of their summary in the claims or their dependency.

Es zeigen: Show it:

1: ein aus dem Stand der Technik bekanntes Hochvoltantriebsystem, 1 a high-voltage drive system known from the prior art,

2: eine Darstellung der unterschiedlichen Rippelspannungen im Frequenzbereich für ein aus dem Stand der Technik bekanntes Hochvoltantriebssystem und eines erfindungsgemäßen Ausführsungsbeispieles, 2 FIG. 2: a representation of the different ripple voltages in the frequency range for a high-voltage drive system known from the prior art and an exemplary embodiment according to the invention, FIG.

3: ein Diagramm der in dem Zwischenkondensator des aus dem Stand der Technik bekannten Hochvoltantriebsystems gespeicherten Energie, 3 FIG. 3 is a diagram of the energy stored in the intermediate capacitor of the prior art high voltage drive system. FIG.

4: ein Ausführungsbeispiel eines Zwischenkreises eines erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystems, 4 : an embodiment of a DC link of a high-voltage drive system according to the invention,

5: ein Diagramm der in den Kondensatoren des Hochvoltantriebsystems gemäß 4 gespeicherten Energie, 5 a diagram of the capacitors in the high-voltage drive system according to 4 stored energy,

6: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystem und 6 : Another embodiment of a high-voltage drive system according to the invention and

7 und 8: Strommessungseinrichtungen in einem Hochvoltantriebsystem nach dem Stand der Technik. 7 and 8th : Current measuring devices in a high voltage drive system according to the prior art.

In der 4 ist ein Zwischenkreis 4 eines erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystems dargestellt. Der Zwischenkreis 4 des erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystems besteht dabei im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Zwischenkreisen 4 der 1, die aus nur einem Kondensator Czk bestehen, aus zwei Kondensatoren C1 und C2 und zwei Spulen L1 und L2. Mit einem derartigen Aufbau des Zwischenkreises 4 ist es erfindungsgemäß möglich, die Rippelspannung U_Rippel, welche beim Schalten von Inverterelementen 6 des Inverters 2 im System auftreten deutlich besser zu minimieren, wobei der Bauraum des Zwischenkreises 4 sich gegenüber dem Stand der Technik nicht vergrößert. Wird beispielsweise der Zwischenkreis 4 mit Kondensatoren C1 und C2 bestückt, deren Kapazität 250 µF beträgt, und mit Spulen L1 und L2 mit einer Induktivität von 5 µH bestückt, so kann der Bauraum, der dafür benötigt wird, einem aus dem Stand der Technik bekannten Zwischenkreiskondensator Czk mit einer Kapazität von 1 mF entsprechen. In the 4 is a DC link 4 a high-voltage drive system according to the invention shown. The DC link 4 the high-voltage drive system according to the invention consists in contrast to the known from the prior art intermediate circuits 4 of the 1 consisting of only one capacitor Czk, two capacitors C1 and C2 and two coils L1 and L2. With such a structure of the intermediate circuit 4 It is inventively possible, the ripple voltage U _ripple , which when switching inverter elements 6 of the inverter 2 occur in the system to significantly better minimize, with the space of the DC link 4 not increased compared to the prior art. If, for example, the DC link 4 equipped with capacitors C1 and C2, whose capacity is 250 uF, and equipped with coils L1 and L2 with an inductance of 5 uH, so the space required for this, a known from the prior art DC link capacitor Czk with a capacity of 1 mF.

Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, ist die durch ein erfindungsgemäßes Hochvoltantriebsystem zu erreichende Dämpfung der Rippelspannung U_Rippel bei einer solchen Dimensionierung der Zwischenkreise 4 höher und damit Rippelspannung U_Rippel kleiner als die Rippelspannung U_Rippel(SdT) bei Verwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten Zwischenkreiskondensators Czk. Da die in einem Kondensator gespeicherte Energie und die angelegte Spannung in einem quadratischen Zusammenhang zueinander stehen, wie dies insbesondere auch der 3 zu entnehmen ist, wird im Stand der Technik bei hohen Spannungen nur ein kleiner Teil der im Zwischenkondensator Czk gespeicherten Energie zur Reduzierung der Rippelspannung verwendet. Ein Großteil der gespeicherten Energie und somit des Kondensatorvolumens dient in diesem Fall zur Bereitstellung der benötigten Spannung für den Inverter 2 beziehungsweise den Elektromotor 3 und wird nicht zur Reduzierung der Rippelspannung U_Rippel(SdT) benutzt. Dieser Effekt wird umso stärker, je höher die Einsatzspannung des Systems ist. How the particular 2 can be seen, which is achieved by an inventive high-voltage drive system damping of the ripple voltage U _ripple in such a dimensioning of the DC-link 4 higher and thus ripple voltage U _ripple smaller than the ripple voltage U _ripple (SdT) when using a known from the prior art DC link capacitor Czk. Since the stored energy in a capacitor and the applied voltage in a quadratic relationship to each other, as in particular the 3 can be seen, in the prior art at high voltages only a small portion of the energy stored in the intermediate capacitor Czk used to reduce the ripple voltage. A large part of the stored energy and thus of the capacitor volume in this case serves to provide the required voltage for the inverter 2 or the electric motor 3 and is not used to reduce the ripple voltage U _ripple (SdT). This effect becomes stronger the higher the threshold voltage of the system.

Mit dem gestuften Zwischenkreis 4 gemäß der Erfindung ist also eine Rippelspannung U_Rippel zu erzielen, die kleiner ist als bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Zwischenkreis 4 der 1, dessen Volumen dem Zwischenkreis 4 des erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystems entspricht. Um die gleiche Rippelspannung mit einem konventionellen Zwischenkreiskondensator Czk zu erreichen, wird eine deutlich höhere Kapazität benötigt. Damit kann ein erhöhtes Volumen einhergehen, was in vielen Fällen nachteilige Auswirkungen mit sich bringt. Dies ist natürlich für die Anwendung im Automotivebereich inakzeptabel. With the stepped DC link 4 According to the invention, therefore, a ripple voltage U _{ripple is} to be achieved, which is smaller than in a known from the prior art DC link 4 of the 1 whose volume is the DC link 4 corresponds to the high-voltage drive system according to the invention. To achieve the same ripple voltage with a conventional DC link capacitor Czk, a significantly higher capacity is needed. This can be accompanied by an increased volume, which in many cases brings detrimental effects. Of course, this is unacceptable for automotive applications.

Durch die neue Filterstruktur des Zwischenkreises 4 des erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystems ist die Rippelspannung im Hochvoltsystem im Bereich des Inverters 2 größer als die Rippelspannung U_Rippel an der Hochvoltbatterie 1, welche die dortige Batteriespannung U_Bat überlagert. Da die Rippelspannung U_Rippel im Bereich des Inverters 2 höher ist, wird aus dem Kondensator C2 mehr Energie für die Filterung als aus dem Kondensator C1 eingesetzt. In 5 ist die aus den beiden Kondensatoren C1 und C2 verwendbare Energie für die Minimierung der Rippelspannung U_Rippel dargestellt. Im Gegensatz zu einem Zwischenkondensator Czk – wie aus dem Stand der Technik bekannt – wird die in einer Spule L1 und L2 gespeicherte Energie unabhängig von der Batteriespannung U_Bat komplett für die Filterung der Rippelspannung U_Rippel eingesetzt. Die in der Filterstruktur des Zwischenkreises 4 des erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystems verwendeten Spulen L1 und L2 können aufgrund ihrer Räumlichkeit dabei magnetisch gegeneinander gekoppelt werden. Durch die magnetische Kopplung werden die Gleichtaktstörungen (Common Mode Interference) unterdrückt. Dies verbessert die elektromagnetischen Verträglichkeitseigenschaften des gesamten Hochvoltantriebsystems. Due to the new filter structure of the DC link 4 the high-voltage drive system according to the invention is the ripple voltage in the high-voltage system in the range of the inverter 2 greater than the ripple voltage U _ripple on the high-voltage battery 1 which superimposes the battery voltage U _{Bat there} . Since the ripple voltage U _ripple in the range of the inverter 2 is higher, from the capacitor C2 more energy is used for the filtering than from the capacitor C1. In 5 the energy which can be used from the two capacitors C1 and C2 is shown for minimizing the ripple voltage U _ripple . In contrast to an intermediate capacitor Czk-as known from the prior art-the energy stored in a coil L1 and L2 is used completely independently of the battery voltage U _Bat for the filtering of the ripple voltage U _ripple . The in the filter structure of the DC link 4 The coils L1 and L2 used in the high-voltage drive system according to the invention can be magnetically coupled to one another due to their spatiality. Magnetic coupling suppresses Common Mode Interference. This improves the electromagnetic compatibility properties of the entire high-voltage drive system.

In der 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystems dargestellt. Dieses ist vom Aufbau nahezu identisch zu dem des ersten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme, dass der Zwischenkreis 4 hierbei anders aufgebaut ist. Der Zwischenkreis 4 besteht hierbei aus drei Kondensatoren C1, C2 und Czk sowie nunmehr vier Spulen L1, L2, L3, L4. Des Weiteren weist dieser Zwischenkreis 4 auch Strommesseinrichtungen 7 und 8 auf, mit deren Hilfe die Gleich- und Wechselstromanteile im Gesamtsystem bestimmt werden können. In the 6 is shown a further embodiment of a high-voltage drive system according to the invention. This is almost identical in structure to that of the first embodiment, except that the intermediate circuit 4 this is structured differently. The DC link 4 consists of three capacitors C1, C2 and Czk and now four coils L1, L2, L3, L4. Furthermore, this DC link 4 also current measuring equipment 7 and 8th with which the DC and AC components in the overall system can be determined.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Strommessungen im Inverter 2 durchzuführen. Derartige Strommesseinrichtungen 7 sind in den 7 und 8 beispielhaft dargestellt. Dabei wirkt sich die in jeder Strommesseinrichtung 7 enthaltene, parasitäre Induktivität nachteilig auf die Steuerbarkeit der nverterelemente 6 aus. Außerdem sind bei den Strommesseinrichtungen 7 der 7 und 8 die Messunsicherheiten durch die hohen Stromrippel beim Schaltvorgang der Inverterelemente und damit verbunden die Toleranz der Strommessung für viele Anwendungsfälle zu groß. Eine Messung der Rückladungsmenge in die Hochvoltbatterie in generatorischen Betrieb beziehungsweise beim Rekuperieren ist selbst mit moderner Mikrocontrollerunterstützung ungenau. From the prior art it is known, current measurements in the inverter 2 perform. Such current measuring devices 7 are in the 7 and 8th exemplified. This affects the in each current measuring device 7 contained, parasitic inductance disadvantageous to the controllability of the inverter elements 6 out. In addition, the current measuring devices are 7 of the 7 and 8th the measurement uncertainties due to the high current ripple in the switching operation of the inverter elements and the associated tolerance of the current measurement for many applications too large. A measurement of the amount of reverse charge in the high-voltage battery in regenerative operation or recuperation is inaccurate even with modern microcontroller support.

Durch die Dimensionierung des Zwischenkreises 4 gemäß der 6 und der jeweiligen Impedanzen der Spulen L1 bis L4 und der Kondensatoren C1, C2 und Czk können die Eigenschaften der Strommessung beeinflusst werden. Beispielsweise lassen sich schnelle Wechselstromanteile ausfiltern. Damit kann die Regelung des Hochvoltantriebsystems verbessert werden. Damit sind sowohl Kurzschlüsse zwischen den Zuleitungen zum Elektromotor 3, als auch Windungs- und Körperkurzschlüsse im Elektromotor 3 selbst detektierbar. Gleichzeitig werden in der Strommesseinrichtung 8 auch Querströme innerhalb einer Halbbrücke erkannt. By dimensioning the DC link 4 according to the 6 and the respective impedances of the coils L1 to L4 and the capacitors C1, C2 and Czk, the characteristics of the current measurement can be influenced. For example, fast alternating current components can be filtered out. Thus, the control of the high-voltage drive system can be improved. Thus, both short circuits between the leads to the electric motor 3 , as well as meander and body shorts in the electric motor 3 self-detectable. At the same time in the current measuring device 8th Also cross currents detected within a half-bridge.

Zusätzlich wird durch den hohen Gleichstromanteil speziell beim Rekuperieren die Messung der Rückladung in die Hochvoltbatterie 1 mit technisch sinnvollen Toleranzen möglich. Immer wenn die generatorische elektromagnetische Kraft des Elektromotors 3 die aktuelle Batteriespannung U_Bat übersteigt und Nachladestrom in die Hochvoltbatterie 1 fließt, ist durch die Integration über die gemessenen Gleichstromwerte die Ladungsmenge Q der Nachladung berechenbar. In addition, due to the high DC component, especially during recuperation, the measurement of the reverse charge in the high-voltage battery 1 possible with technically reasonable tolerances. Whenever the generator electromagnetic force of the electric motor 3 the current battery voltage U _Bat exceeds and recharge current in the high-voltage battery 1 flows, the charge amount Q of the recharge can be calculated by the integration of the measured DC values.

Weiterhin wird es damit möglich im Falle des Nichterreichens der aktuellen Batteriespannung U_Bat in der Rekuperation beziehungsweise im generatorischen Betrieb durch eine geeignete Ansteuerung der Endstufe des Inverters 2 einen Hochsetzbetrieb der Spannung am ersten Zwischenkreiskondensator Czk, auch Boost-Mode genannt, einzustellen. Damit ist bereits im niedertourigen Schiebebetrieb des Fahrzeugs, zum Beispiel im langsamen Stadtverkehr oder bei Stop-and-Go-Betrieb, ein Nachladen der Hochvoltbatterie 1 möglich. Die Ladungsmenge Q wird wiederum vorteilhaft in den Strommesseinrichtungen 7 oder 8 in integraler Form aus dem Gleichstromanteil beim Nachladen gemessen. Vorteilhaft ist die Tiefpass-Filterwirkung der Frequenz des Boost-Modes durch die Impedanz der Spulen L1 bis L4 und des Kondensators C1. Furthermore, it is thus possible in the case of non-achievement of the current battery voltage U _Bat in the recuperation or in generator operation by a suitable control of the output stage of the inverter 2 to set a step-up operation of the voltage at the first DC link capacitor Czk, also called boost mode. Thus, even in the low-speed push mode of the vehicle, for example, in slow city traffic or stop-and-go operation, a recharge of the high-voltage battery 1 possible. The amount of charge Q is again advantageous in the current measuring devices 7 or 8th measured in an integral form from the DC component during recharging. Advantageously, the low-pass filter effect of the frequency of the boost mode by the impedance of the coils L1 to L4 and the capacitor C1.

Durch das direkte Messen der Nachladungsmenge Q wird im Mikrocontroller die Möglichkeit eröffnet, über eine geeignete Modelbildung optimale Parameter für den Boost-Mode einzustellen, die es erlauben, die Spannung über den Kondensator Czk größer als die aktuelle Batteriespannung U_Bat zu halten. Damit wird das Nachladen des Batteriesystems bei einer gegenüber der Batteriespannung kleineren generatorischen elektromagnetischen Kraft des Elektromotors 3 effektiv an die aktuelle Fahrsituation angepasst und speziell im langsamen Stadtbetrieb oder bei Stop-and-Go-Betrieb eine deutlich effektivere Nachladung möglich. By directly measuring the amount of charge Q, the microcontroller opens up the possibility of setting optimal parameters for the boost mode via a suitable modeling, which make it possible to keep the voltage across the capacitor Czk greater than the current battery voltage U _Bat . Thus, the recharging of the battery system is at a relation to the battery voltage smaller regenerative electromagnetic force of the electric motor 3 effectively adapted to the current driving situation and a significantly more effective recharging possible especially in slow city or stop-and-go operation.

Schließlich wird ein intelligenter bedarfsgesteuerter Nachladebetrieb derart ermöglicht, dass eine Batteriesteuereinheit über einen Kommunikationskanal – beispielsweise ein digitales BUS-System – eine Nachlade-Ladungsmenge anfordert und der Mikrocontroller des Inverters 2 im Schiebebetrieb so lange im Boost-Mode der Endstufe des Inverters 2 bleibt, bis über die Gleichstrommessung in den Strommesseinrichtungen 7 oder 8 und anschließende Integration die angeforderte Ladungsmenge Q zurückgespeist wurde. Weiterhin lässt sich mit diesem erfindungsgemäßen Hochvoltantriebsystem gemäß der 6 speziell bei abgeschalteter Hochvoltbatterie 1 die Anschlussspannung aller an einem Batteriestrang angeschlossenen Verbraucher auf einen Bereitschaftswert größer 0 Volt halten. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich bei kurzzeitigem Abschalten der Hochvoltbatterie 1 damit ein Reset- oder ein Schlaf-Mode der weiteren Verbraucher verhindern lässt. Dazu wird ein automatischer Kupplungssystem-Mode im Inverter 2 unterbrochen und im Boost-Mode des Inverters 2 das gezielte Nachladen der Eingangskondensatoren aller Verbraucher an diesem Versorgungsstrang erreicht. Auch in diesem Betriebsfall lässt sich die nachgeladene Ladungsmenge Q mittels der Strommesseinrichtungen 7 und 8 messen und auf eventuelle Bedarfsanforderungen von angeschlossenen Verbrauchern reagieren. Auch hier ist eine Ladungsanforderung über ein digitales Interface oder BUS-System möglich. Damit wird bei abgeschalteter Hochvoltbatterie 1 und noch rollendem Fahrzeug eine Notstromversorgung aller angeschlossenen Verbraucher sichergestellt und ein Limp-Home-Mode-Betrieb oder das definierte Abstellen des Fahrzeugs möglich. Finally, intelligent on-demand recharging operation is enabled such that a battery control unit requests a recharge charge amount through a communication channel, such as a digital bus system, and the inverter microcontroller 2 in push mode so long in boost mode of the power amplifier of the inverter 2 remains until about the DC measurement in the current measuring devices 7 or 8th and subsequent integration, the requested amount of charge Q was fed back. Furthermore, can be with this inventive high-voltage drive system according to the 6 especially when the high-voltage battery is switched off 1 Keep the terminal voltage of all consumers connected to a battery string at a standby value greater than 0 Volt. This is particularly advantageous if, when briefly switching off the high-voltage battery 1 so that a reset or a sleep mode can prevent further consumers. This is an automatic coupling system mode in the inverter 2 interrupted and in the boost mode of the inverter 2 the targeted reloading of the input capacitors of all consumers reaches this supply line. Also in this case, the recharged charge amount Q by means of the current measuring devices 7 and 8th and respond to any demand from connected consumers. Again, a charge request via a digital interface or BUS system is possible. This is when the high-voltage battery is switched off 1 and still rolling vehicle an emergency power supply of all connected consumers ensured and a limp home mode operation or the defined parking of the vehicle possible.

Im Crashfall ist bei abgeschalteter Hochvoltbatterie 1 mittels der Strommesseinrichtungen 7 und 8 das aktive Entladen der Eingangskondensatoren aller angeschlossenen Verbraucher möglich. Im Mikrocontroller des Inverters 2 wird über eine Modellierung, die als Führungsgrößen die aktuelle Strangspannung und die errechnete Ladungsmenge nutzt, die aus Sicherheitsgründen erforderliche Schnellentladung gesteuert. In the event of a crash, the high-voltage battery is switched off 1 by means of the current measuring devices 7 and 8th the active discharge of the input capacitors of all connected loads possible. In the microcontroller of the inverter 2 is controlled by a modeling, which uses as a guide the current phase voltage and the calculated amount of charge, the required for safety reasons fast discharge.

Durch dieses erfindungsgemäße Hochvoltantriebssystem ist eine deutliche Verbesserung der Steuerbarkeit der Endstufe des Inverters 1 erreicht. Es treten keine induktiven Emitter- oder SIRS-Gegenkopplungen durch den Wegfall der parasitären Elemente mehr auf. Die parasitären Induktivitäten der Strommesseinrichtungen 7 und 8 befinden sich in Reihe zu den Filterimpedanzen der Spulen L1 bis L4 und haben wegen ihrer deutlich geringeren Impedanz kaum Einfluss auf die Filtercharakteristik des Zwischenkreises 4. Die deutlich geringeren Transienten im Wechselstrom an den Strommesseinrichtungen 7 und 8 vereinfachen zu dem die Erfassung von Überstromzuständen der Endstufe des Inverters 2. Die DI durch DT-Auswertung wird hier überhaupt erst mit vertretbarem elektronischem Aufwand möglich. Hieraus folgt, dass keine Einbußen bei der Überstromerkennungen und Ableitungen zur Diagnose der Motoranschlussleitungen erfolgen. By this invention high-voltage drive system is a significant improvement in the controllability of the final stage of the inverter 1 reached. There are no inductive emitter or SIRS negative feedback due to the elimination of parasitic elements more. The parasitic inductances of the current measuring devices 7 and 8th are in series with the filter impedances of the coils L1 to L4 and have little influence on the filter characteristic of the DC link because of their significantly lower impedance 4 , The significantly lower transients in the alternating current at the current measuring devices 7 and 8th to simplify the detection of overcurrent conditions of the final stage of the inverter 2 , The DI by DT evaluation is possible here only with reasonable electronic effort. It follows that no losses in the overcurrent detections and derivatives for the diagnosis of motor connection cables take place.

Ferner ist durch dieses erfindungsgemäße Hochvoltantriebssystem eine Ladungsbilanzmessung ermöglicht. Bedarfsgerechte Nachladung erfolgt nicht nur bei Standardrekuperation, sondern bereits bei einer generatorischen elektromagnetischen Kraft die deutlich kleiner ist als die an dem Kondensator Czk anliegende Spannung. Dies ermöglicht zudem einen gezielt steuerbaren Boost-Mode des Inverters 2. Damit sind insbesondere applikative Vorteile bei langsamer Fahrzeugbewegung ermöglicht. Ferner entfällt durch das erfindungsgemäße Hochvoltantriebssystem die Ladungsbilanzierung in der Batterie 1 und ermöglicht somit eine Kostenreduktion in der Batterie. Hierdurch ist es möglich, die vielfach größeren Ressourcen des Mikrocontrollers des Inverters 2 für eine geeignete Ladungsbilanzmodellierung zu verwenden. Zudem wird bei Abschalten der Hochvoltbatterie 1 und noch rollendem Fahrzeug vermieden, dass Rest- oder Schlafzustände in allen angeschlossenen Verbrauchern/Steuergeräten auftreten. Furthermore, a charge balance measurement is made possible by this high-voltage drive system according to the invention. Demand reloading takes place not only with standard recuperation, but already with a regenerative electromagnetic force which is significantly smaller than the voltage applied to the capacitor Czk. This also allows a specifically controllable boost mode of the inverter 2 , This particular application advantages are made possible at slower vehicle movement. Furthermore, the high-voltage drive system according to the invention eliminates the charge balance in the battery 1 and thus allows a cost reduction in the battery. This makes it possible, the much larger resources of the microcontroller of the inverter 2 for a suitable charge balance modeling. In addition, when switching off the high-voltage battery 1 and still rolling vehicle avoided that residual or sleep conditions occur in all connected consumers / control units.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Hochvoltbatterie High-voltage battery
2 2: Inverter inverter
3 3: Elektromotor, Generator Electric motor, generator
4 4: Zwischenkreis DC
5 5: Steuereinrichtung control device
6 6: Inverterelement inverter element
7 7: Strommesseinrichtung Current measurement device
8 8th: Strommesseinrichtung Current measurement device
9 9: Erdung grounding
U_Bat U _Bat: Hochvoltbatteriespannung High-voltage battery voltage
(U, V, W) (AND MANY MORE): mehrphasige Wechselspannung multiphase AC voltage
Czk Czk: Zwischenkreiskondensator, Kapazität DC link capacitor, capacity
C1 C1: Kondensator, Kapazität Capacitor, capacity
C2 C2: Kondensator, Kapazität Capacitor, capacity
L1 L1: Spule, Induktivität, Impedanz Coil, inductance, impedance
L2 L2: Spule, Induktivität, Impedanz Coil, inductance, impedance
L3 L3: Spule, Induktivität, Impedanz Coil, inductance, impedance
L4 L4: Spule, Induktivität, Impedanz Coil, inductance, impedance
U_Rippel(SdT) U _Ripple (SdT): Rippelspannung ripple voltage
U_Rippel U _ripples: Rippelspannung ripple voltage

Claims

High-voltage drive system with a high-voltage battery ( 1 ), an inverter ( 2 ), to which an electric motor ( 3 ) and one between high-voltage battery ( 1 ) and inverter ( 2 ) arranged and designed as a filter element intermediate circuit ( 4 ), characterized in that the intermediate circuit ( 4 ) has at least two capacitances (Czk, C1, C2) and at least two inductances (L1, L2, L3, L4), wherein the at least two capacitances (Czk, C1, C2) preferably as capacitors and the at least two inductances (L1, L2 , L3, L4) are preferably formed as coils.

High-voltage drive system according to claim 1, characterized in that the two capacitors (Czk, C1, C2) parallel to the high-voltage battery ( 1 ), the inverter ( 2 ) and / or the engine ( 3 ) are arranged.

High-voltage drive system according to claim 1 or 2, characterized in that the two inductors (L1, L2, L3, L4) are magnetically coupled against each other.

High-voltage drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter ( 2 ) a control device ( 5 ) for controlling inverter elements ( 6 ) of the inverter ( 2 ), wherein in the control device ( 5 ) is preferably integrated a microcontroller.

High-voltage drive system according to claim 4, characterized in that the inverter elements ( 6 ) are formed as bipolar transistors with insulated gate electrode (IGBT).

High-voltage drive system according to claim 4, characterized in that the inverter elements ( 6 ) are formed as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET).

High-voltage drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate circuit ( 4 ) one of the high-voltage battery ( 1 ) DC voltage (U _Bat ) transformed into a system DC voltage (SHV +, SHV-) and this to the inverter ( 2 ), through which the of the intermediate circuit ( 4 ) supplied system DC voltage (SHV +, SHV-) in a multi-phase AC voltage (U, V, W) is converted.

High-voltage drive system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one current measuring device ( 7 . 8th ) is available.

High-voltage drive system according to claim 8, characterized in that the at least one current measuring device ( 7 . 8th ) in the DC link ( 4 ) is integrated.

High-voltage drive system according to one of the preceding claims, characterized in that a battery control device is provided, which is connected to the control device ( 5 ) of the inverter ( 2 ) is preferably communicatively connected via a BUS system.